Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XV (SNTTM XV)
Bandung, 5-6 Oktober 2016
PM-017
Perancangan Dasar Sistem Keselamatan Pasif Kereta Penumpang Kelas 1 (Kereta K1)
I Gede Sattvika Satya Dharma1*, I Wayan Suweca2, Rachman Setiawan3
KK Perancangan Mesin Fakultas Teknik Mesin dan Dirgantara, ITB
Jl. Ganesha No. 10 Bandung 40132 [email protected]
Abstrak
Sebagai salah satu alat transportasi massal, peningkatan keselamatan, keamanan, dan
kenyamanan dalam berpindah tempat (commuting) menjadi hal yang vital dan perlu lebih
diprioritaskan. Walaupun sistem keselamatan aktif untuk mencegah terjadinya kecelakaan sudah
diterapkan, namun kecelakaan pada alat transportasi dengan kereta api masih saja terjadi. Oleh karena
itu perlu diterapkan sistem keselamatan pasif berupa teknologi crashworthiness pada kereta
penumpang kelas 1 (Kereta K1). Hal ini bertujuan meminimumkan dampak jika terjadi kecelakaan.
Saat ini, regulasi perkeretaapian di Indonesia belum mempertimbangkan aspek crashworthiness
tersebut, sehingga rancangan Kereta K1 yang ada sekarang juga tidak memiliki fitur keselamatan
berbasis crashworthiness. Pada penelitian ini dilakukan perancangan dasar sistem keselamatan pasif
Kereta K1 dengan mengimplementasikan teknologi crashworthiness. Beberapa modifikasi yang
harus dilakukan mengacu pada desain Kereta K1 existing. Analisis kekuatan struktur utama dilakukan
dengan metode elemen hingga (MEH) dengan bantuan perangkat lunak Ansys Mechanical R15.0.
Hasil analisis MEH kemudian dibandingkan dengan hasil pengukuran tegangan yang telah dilakukan
oleh PT INKA. Hasil analisis menunjukkan bahwa pembebanan maksimum yang dapat diterima
kereta K1 adalah 140 tonf, sehingga memiliki faktor keamanan 1,4 dari kekuatan struktur utama yang
dibutuhkan, yaitu 100 tonf. Oleh karena itu sistem keselamatan pasif dirancang agar sudah kolaps
sebelum gaya tabrakan mencapai 140 tonf. Hasil simulasi sistem keselamatan pasif kereta K1
merekomendasikan bahwa gaya-hancur (crushing force) untuk komponen draft gear dan modul
penyerap energi (MPE) adalah masing-masing sebesar 110 tonf dan 130 tonf.
Kata kunci: Kereta K1, sistem keselamatan pasif, crashworthiness, metode elemen hingga, gaya-
hancur (crushing force).
Pendahuluan Kereta api merupakan salah satu moda
transportasi yang mempunyai peranan penting
dalam perpindahan barang dan orang di
Indonesia. Keberadaan moda transportasi
dengan kereta api ini akan mendukung
pertumbuhan ekonomi dan pengembangan
wilayah suatu daerah. Oleh karena itu,
peningkatan keselamatan, keamanan, dan
kenyamanan penumpang dalam berpindah
tempat (commuting) menggunakan kereta api
menjadi hal yang vital dan perlu lebih
diprioritaskan.
Berdasarkan data yang dikeluarkan oleh
Ditjen Perkeretaapian, jumlah kecelakaan
kereta api yang terjadi di Indonesia dari tahun
ke tahun tidaklah sedikit. Sempat mengalami
penurunan dari tahun 2009 ke tahun 2012 dari
90 menjadi 31 kecelakaan. Jumlah kecelakaan
kereta meningkat lagi dari tahun 2012 hingga
tahun 2015 dari 31 kecelakaan menjadi 73
kecelakaan. Sedangkan untuk tahun 2016
sendiri, hingga bulan Maret 2016, sudah terjadi
3 kejadian tumburan antar kereta api dan 3
kejadian anjlokan/terguling, yang
menyebabkan 50 korban luka-luka dari
keseluruhan kejadian [1]. Jumlah korban
kecelakaan ini sebenarnya bisa dikurangi
dengan menerapkan dua sistem keselamatan
yaitu, sistem keselamatan aktif untuk
menghindari kemungkinan terjadinya
kecelakaan seperti ATP (Automatic Train
889
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XV (SNTTM XV)
Bandung, 5-6 Oktober 2016
PM-017
Protection) dan sistem keselamatan pasif
untuk mengurangi dampak kecelakaan jika
kecelakaan tetap terjadi salah satunya yang
berbasis teknologi crashworthiness. Penerapan
teknologi crashworthiness dapat mengurangi
atau meminimumkan efek tabrakan dan sangat
berpotensi untuk diterapkan pada kereta-kereta
penumpang di Indonesia.
Secara definisi crashworthiness adalah
kemampuan suatu struktur atau kendaraan
untuk melindungi penumpang atau argonya
ketika terjadi impak tabrakan (Johnson dan
Mamalis, 1978). Sedangkan Struktur yang
crashworthy adalah struktur yang mampu
menyerap sebagian energi tabrakan,
menyelamatkan bagian berpenumpang,
mencegah benturan dengan objek luar,
mencegah terlemparnya penumpang dan
membatasi perlambatan (Setiawan dan
Fajrianto, 2006).
Saat ini regulasi perkeretaapian di
Indonesia belum mempertimbangkan aspek
crashworthiness, sehingga rancangan Kereta
K1, yang menjadi kereta acuan desain yang
akan dimodifikasi, juga belum memiliki fitur
keselamatan berbasis crashworthiness. Oleh
karena itu akan dilakukan modifikasi konsep
desain kereta penumpang Kelas 1 (K1) dengan
mempertimbangkan aspek crashworthiness.
Dalam melakukan modifikasi terhadap kereta
K1, tetap harus memperhatikan batasan
kekuatan struktur utama terhadap beban tekan
longitudinal dan syarat kekuatan struktur
kereta yang harus mampu menahan
pembebanan longitudinal sebesar 100 tonf.
Persyaratan besar 100 tonf tersebut tercantum
dalam KM No. 41 tahun 2010, “Standar
Spesifikasi Teknis Kereta Yang Ditarik
Lokomotif”.
Tujuan dari penelitian ini adalah
memperoleh rancangan dasar sistem
keselamatan pasif kereta K1 existing dengan
menentukan gaya tabrakan maksimum pada
underframe kereta, menentukan gaya-hancur
komponen sistem crashworthiness, dan
melakukan analisis kekuatan struktur saat
pembebanan tekan 100 tonf.
Metodologi
Penelitian ini dilakukan dengan mengikuti alur
seperti ditunjukkan pada diagram alir, Gambar
1 berikut.
Gb. 1. Diagram alir penelitian
Pemodelan Elemen Hingga
Pemodelan elemen hingga dilakukan
dengan elemen 2D (shell) kecuali pada bagian
stopper yang menggunakan elemen 3D (solid)
seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.
Gb. 2. Model elemen hingga struktur kereta K1
Studi Literatur dan Input Data
Lapangan Kereta Existing
Mulai
Pembuatan Model Elemen Hingga
Analisis Hasil Pemodelan Elemen Hingga
Menentukan Persyaratan Perancangan
Selesai
Penentuan Gaya Collapse Struktur Utama dan
Gaya Aktivasi Sistem Crashworthiness
Penyusunan dan Pemilihan alternatif
Konsep dan Komponen Sistem
Crashworthiness
890
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XV (SNTTM XV)
Bandung, 5-6 Oktober 2016
PM-017
Material yang digunakan adalah material baja
struktur SS400.
Tabel 1 Sifat Material baja SS400 [2]
Sifat SS400
Densitas (kg/m3) 7850
Poisson's Ratio 0,33
Modulus Elastisitas (GPa) 200
Kekuatan Luluh (MPa) 245
Kekuatan Tarik (MPa) 480
Beban initial yang diberikan pada
struktur merupakan beban tekan yang
ditempatkan pada luas permukaan depan
stopper. Selain itu boundary condition yang
diberikan merupakan support pada ujung
stopper satunya dengan zero displacement
pada arah ux,uy,uz dan bebas bergerak pada
arah θx,θy,θz. Sedangkan pada bagian
permukaan sekitar pivot diberikan tumpuan
sendi sebagai pengganti bogie sehingga pivot
memiliki zero displacement pada arah uy,uz,
θx,θz dan bergerak bebas pada arah ux,θy seperti
ditunjukkan pada Gambar 3. Kasus
pembebanan ini mencerminkan kasus
pengujian berdasarkan regulasi nasional, yaitu
KM No. 41 tahun 2010, dengan spesifikasi
minimum bahwa struktur kereta mampu
menerima beban longitudinal sebesar 100 tonf
tanpa terjadi deformasi tetap.
Gb. 3. Model pembebanan dan tumpuan pada
struktur kereta K1
Hasil Analisis Elemen Hingga
Gambar 4 menunjukkan hasil simulasi
pembebanan tekan yang telah dilakukan,
berupa distribusi deformasi dan tegangan von
Mises.
Gb. 4. Hasil Simulasi Elemen Hingga
Tabel 2 menunjukkan rangkuman hasil
simulasi pembebanan yang telah dilakukan
Tabel 2. Rangkuman Hasil Simulasi Pembebanan
Besar
Pembebanan
(tonf)
Deformasi
(mm)
Tegangan
pada Struktur
(MPa)
100 13,1 175,3
110 15,1 192,6
120 18,1 210,5
130 22,4 224,8
140 28,5 245,1
Dari hasil simulasi yang telah dilakukan
terlihat bahwa pada pembebanan 100 tonf,
tegangan yang dihasilkan belum melewati
tegangan luluh dengan safety factor sebesar
1,4. Struktur underframe baru mengalami
kegagalan pada pembebanan 140 tonf. Oleh
karena itu dinyatakan bahwa gaya collapse
dari struktur underframe adalah 140 tonf dan
sistem crashworthiness yang didesain harus
sudah kolaps sebelum gaya tabrakan mencapai
140 tonf.
891
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XV (SNTTM XV)
Bandung, 5-6 Oktober 2016
PM-017
Rencana Implementasi Sistem Crashwor-
thiness
Sistem crashworthiness yang dirancang
memiliki 3 buah komponen utama yang proses
kolapsnya harus secara berurutan dan tidak
boleh overlap.
Pushback coupler yang kolaps setelah bagian draft gear kolaps.
Komponen penyerap energi yang kolaps
setelah bagian pushback coupler kolaps.
Anticlimbing System yang akan bekerja setelah bagian pushback coupler kolaps.
Pushback coupler adalah komponen yang
terletak berdampingan dengan draft gear dan
baru menerima gaya setelah draft gear tidak
dapat terdeformasi lagi. Komponen draft gear
akan berhenti berdeformasi pada gaya 110 tonf
dan kemudian pushback coupler baru boleh
teraktivasi pada gaya 110 tonf.
Komponen penyerap energi didesain
sehingga baru akan rusak setelah rusaknya
pushback coupler. Ini berarti gaya-hancurnya
harus lebih besar dari 110 tonf namun tidak
boleh melebihi 140 tonf. Terlihat bahwa
deformasi yang terjadi pada gaya 130 tonf
tidak lah jauh berbeda (16% lebih besar) bila
dibandingkan deformasi yang terjadi pada
gaya 120 tonf. Sehingga dipilih gaya-hancur
130 tonf agar energi yang bisa diserap lebih
besar seperti tampak pada Gambar 5.
Gb. 5. Grafik gaya versus defleksi crash
Persyaratan Perancangan
Persyaratan-persyaratan yang digunakan
dalam perancangan diturunkan dari regulasi
dan standar mengenai crashworthiness yang
telah digunakan di Eropa dan Amerika.
Persyaratan tersebut diambil dari Standard
Eropa BS EN 15227:2008 [3] dan Standard
Amerika CFR 238.403 [4]. Selain itu
persyaratan yang digunakan juga diperoleh
melalui aspek praktis dan diskusi dengan PT
INKA Madiun.
Persyaratan perancangan sistem
crashworthiness dibagi ke dalam 3 bagian
yaitu :
Persyaratan operasional
Persyaratan ruang
Persyaratan saat tabrakan
Sistem keselamatan pasif maupun
komponennya harus memenuhi beberapa
persyaratan operasional yaitu :
1. Mekanisme pushback coupler yang
didesain harus memiliki kemampuan
untuk menahan beban tarik dan tekan
secara berulang tanpa teraktivasi.
2. Komponen anticlimber harus didesain
agar tidak mengganggu kemampuan
lepas-pasang antar kereta (couple-
uncouple) dan operasional tuas yang
terletak pada end wall.
3. Komponen penyerap energi harus
didesain agar tidak mengganggu rute
sistem perpipaan dan kelistrikan kereta.
Sistem keselamatan pasif maupun
komponennya harus memenuhi beberapa
persyaratan ruang yaitu :
1. Komponen anticlimber yang didesain
tidak boleh bersinggungan ketika kereta
berbelok.
2. Mekanisme pushback coupler yang
didesain harus bekerja tanpa me-
nyinggung bogie ataupun komponen lain
dari kereta.
3. Komponen penyerap energi harus
didesain agar memiliki dimensi awal yang
tidak lebih besar dari ruang yang tersedia
dari kereta K1 existing dengan panjang
tidak melebihi 1000 mm.
4. Crash distance maksimum sistem
crashworthiness secara keseluruhan tidak
boleh melewati 1000 mm.
Sistem keselamatan pasif maupun
komponennya harus memenuhi beberapa
persyaratan saat tabrakan yaitu :
1. Saat terjadi tabrakan, rusaknya komponen
crashworthiness tidak menye-babkan
rusaknya bagian penumpang (lantai) agar
tidak membahayakan penumpang.
892
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XV (SNTTM XV)
Bandung, 5-6 Oktober 2016
PM-017
2. Saat gaya tabrakan masih kurang dari 110
tonf, tidak boleh ada kerusakan permanen
karena pembebanan masih pada rentang
gaya draft gear.
3. Saat gaya tabrakan yang terjadi lebih dari
110 tonf namun kurang dari 130 tonf
hanya komponen pushback coupler yang
boleh rusak dengan crash distance hingga
200 mm yang didapat dari deformasi draft
gear dan pushback coupler ideal.
4. Saat gaya tabrakan sudah lebih besar dari
130 tonf, barulah komponen primary
energy absorber boleh teraktivasi dengan
crash distance hingga 900 mm yang
didapat dari total deformasi dari draft
gear, pushback coupler dan penyerap
energi.
Penyusunan Alternatif Sistem
Terdapat dua Alternatif Sistem global
yaitu Konsep A dan Konsep B.
Gb. 6. Alternatif Sistem Konsep A [5]
Gb. 7. Alternatif Sistem Konsep B [6]
Terdapat 4 perbedaan antara Konsep A
dan Konsep B yaitu :
1. Ada dan tidaknya komponen sliding saat
proses rusaknya penyerap energi primary.
2. Penempatan komponen anticlimber.
3. Penempatan modul penyerap energi
secondary
4. Urutan rusaknya modul penyerap energi
Pemilihan alternatif sistem dilakukan
dengan scoring pada dua kriteria yaitu
ketersediaan bahan dan applicability.
Applicability disini lebih mengarah kepada
apakah desain konsep A atau konsep B yang
lebih mungkin diterapkan pada kereta K1
existing. Tabel 3 menunjukkan hasil scoring
pemilihan alternatif yang telah dilakukan.
Tabel 3. Scoring Alternatif Sistem
Untuk ketersediaan material, kedua
alternatif sistem ini memiliki nilai yang sama.
Sedangkan untuk applicability terdapat 4 poin
keunggulan desain sistem konsep A yang
berdasarkan kepada perbedaan utama sistem
konsep A dan sistem konsep B. Dari hasil
scoring dan poin keunggulan desain yang telah
dijelaskan di atas maka sistem yang dipilih
adalah Crash Energy Management Konsep
A.
Penyusunan Alternatif Komponen
Sistem crashworthiness dari kereta
penumpang terdiri dari tiga komponen utama,
yaitu:
Pushback coupler yang fungsinya adalah memberi dorongan balik kepada gaya
tekan yang diberikan coupler kepada
struktur. Pushback coupler harus
memiliki mekanisme agar tidak aktif
secara prematur sebelum tercapainya
besar pembebanan tertentu. Terdapat dua
alternatif mekanisme pushback coupler.
1. U-Loop Mechanism. Mekanisme ini
diawali dengan kompresi draft gear
hingga draft gear tidak bisa menyerap
energi lagi. Setelah itu gaya diteruskan
ke komponen pushback coupler. Saat
pushback coupler sudah tidak mampu
menyerap energy lagi (fully deformed),
maka gaya ditransmisikan ke shear
bolts yang terdapat pada struktur
893
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XV (SNTTM XV)
Bandung, 5-6 Oktober 2016
PM-017
sliding sill hingga shear bolts gagal
pada tahapan tertentu sehingga sliding
sill masuk ke dalam struktur dan gaya
diteruskan oleh crash wall ke primary
energy absorber.
2. Auto Slide Mechanism. Mekanisme
pada auto slide diawali dengan
terkompresinya bagian draft gear,
setelah terkompresi hingga jarak
tertentu, coupler akan sampai pada
jalur slide ke bagian bawah sehingga
nantinya coupler akan jatuh dan tidak
ikut dalam skema tabrakan selanjutnya.
i. Interlocking anticlimber adalah
komponen dari sistem crashworthiness
yang memiliki fungsi utama menahan
gaya vertikal yang terjadi untuk mencegah
terjadinya overlap antara satu kereta
dengan yang lainnya. Terdapat dua
alternatif anticlimber.
1. Ribbed Plate yang merupakan plat
yang disusun seperti berusuk. Satu
bagian dari rusuk tersebut harus
mampu menahan gaya vertikal yang
terjadi ketika tabrakan. Selain itu dia
juga harus bisa menyejajarkan kedua
bagian dari underframe dan
menguncinya dari gerakan climbing
saat terjadi gerakan dinamik,
berbeloknya kereta maupun saat terjadi
perbedaan ketinggian antara
underframe saat tabrakan terjadi.
2. Cup-Cone Anti Climbing System. Cup-
Cone Anticlimbing System memiliki
prinsip menggunakan struktur utama
underframe sebagai penahan beban
vertikal. Bagian Cup dan Cone hanya
berfungsi sebagai Alligning Part atau
bagian penyejajar yang akan
mengarahkan underframe agar
bertemu dan saling mengunci terhadap
arah vertical.
ii. Modul penyerap energi yang merupakan
bagian dari sistem crashworthiness yang
didesain untuk rusak dan menyerap
energy tabrakan secara terkontrol saat
tabrakan terjadi tanpa membahayakan
bagian yang berisi penumpang. Terdapat
dua alternatif penempatan modul
penyerap energi.
1. Yang pertama adalah dengan crash box
pada rongga kosong antar pilar.
2. Yang kedua adalah mengganti pilar
dengan crash module
Pemilihan alternatif komponen dilakukan
dengan scoring pada beberapa kriteria yaitu
ketersediaan bahan modifikasi, reliability
desain dan juga kemudahan modifikasi desain
bila mengacu pada kereta existing seperti yang
ditunjukkan Tabel 3.
Dari scoring yang telah dilakukan maka
dipilih kombinasi U-Loop Mechanism dengan
ribbed plate sebagai anticlimber dan
penempatan modul penyerap energi pada
rongga-rongga antar pilar.
Tabel 3. Scoring Alternatif Komponen
894
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XV (SNTTM XV)
Bandung, 5-6 Oktober 2016
PM-017
Konsep Rancangan Usulan
Dari komposisi komponen dan sistem
yang telah dipilih Gambar 8 merupakan
konsep rancangan dari sistem
crashworthiness yang diusulkan.
Saat tabrakan terjadi, draft gear
mengalami kompresi hingga tidak bisa
menyerap energi lagi. Setelah itu gaya
diteruskan ke komponen pushback coupler.
Saat pushback coupler sudah tidak mampu
menyerap energy lagi (fully deformed),
gaya ditransmisikan ke shear bolts yang
terdapat pada struktur sliding component
(U-Loop Mechanism) hingga shear bolts
gagal pada tahapan tertentu sehingga
komponen U-Loop masuk ke dalam struktur
dan gaya diteruskan oleh puncher (yang
terdapat di belakang stopper pada
komponen U-Loop) ke primary energy
absorber. Setelah primary energy absorber
sudah tidak bisa menyerap energy lagi
(fully deformed) baru struktur penumpang
kereta dibebani gaya tabrakan dimana
diusahakan hal ini tidak sampai terjadi.
Gb. 8. Konsep Rancangan Sistem Usulan
Gambar 9 menunjukkan skenario diagram
force vs crash distance ideal:
----- Draft Gear
-----Coupler Energy Absorber (Pushback Coupler)
---- Primary + Secondary Energy Absorber
Gb. 9. Force vs Crash Distance Ideal
Kesimpulan
Berdasarkan perancangan dan analisis
yang telah dilakukan, didapatkan hasil
sebagai berikut:
i. Dari hasil simulasi yang telah dilakukan
maka diperoleh bahwa gaya collapse
struktur utama adalah 140 tonf.
Sehingga struktur crashworthiness harus
didesain agar sudah kolaps sebelum
gaya tabrakan mencapai 140 tonf.
Karena jika tidak maka struktur utama
akan rusak duluan sebelum sistem
crashworthiness (crashzone) nya kolaps.
ii. Konsep rancangan sistem
crashworthiness terdiri dari anticlimber,
895
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XV (SNTTM XV)
Bandung, 5-6 Oktober 2016
PM-017
pushback coupler dan energy absorber
dengan skenario kolaps diawali oleh
kolapsnya draft gear dan pushback
coupler setelah itu barulah mekanisme
sliding component bekerja dan
meneruskan gaya tabrakan ke modul-
modul penyerap impak. Gaya-hancur
komponen pushback coupler adalah 110
tonf sedangkan untuk komponen energy
absorber adalah 130 tonf.
Ucapan Terima Kasih
Riset ini diselenggarakan atas
kerjasama dengan PT INKA (Persero) dan
didanai oleh Lembaga Pengelola Dana
Pendidikan (LPDP) - Kementerian
Keuangan RI, melalui skema Riset
Inovatif-Produktif (RISPRO) Komersial
dengan kontrak No. PRJ-2289/LPDP/2015.
Untuk itu, para penulis menyampaikan
terima kasih.
Referensi
[1] S. Tjahjono, "Peran KNKT dalam
Keselamatan Perkeretaapian," 2016.
[2] R. Setiawan, "Riset Dan Rancang
Bangun Struktur Lokomotif Modern
Dengan Memperhatikan Prinsip
Keselamatan Dan Ramah
Lingkungan," 2011.
[3] EN15227, "Railway Aplications, in
Crashworthiness Requirements for
Railway Vehicle Bodies," 2008.
[4] U. D. o. Transportation, "U.S. Rail
Equipment Crashworthiness
Standards".
[5] C. M, T. D and P. A. B, "Performance
Efficiency Of A Crash Energy
Management System," 2007.
[6] A. Starlinger, "The Application Of
ABAQUS For The Evaluation Of The Structural Integrity Of Railway
Vehicles," 2011.
896